Le matériau
composite est un
assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une forte
capacité d'adhésion). Le nouveau matériau ainsi constitué possède des
propriétés que les éléments seuls ne possèdent pas.
Ce phénomène, qui permet d'améliorer
la qualité de la matière face à une certaine utilisation (légèreté,
rigidité à un effort, etc.), explique l'utilisation croissante des matériauxcomposites,
dans différents secteurs industriels. Néanmoins, la description fine des
composites reste complexe du point de vue mécanique.
Approche industrielle
Un matériau composite est constitué
d'une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique et d'une
protection appelée matrice qui est généralement une matière plastique (résine
thermoplastique ou thermodurcissable) et qui assure la cohésion de la structure
et la retransmission des efforts vers le renfort. Il existe aujourd'hui un
grand nombre de matériaux
composites que l'on classe généralement en trois familles en fonction de la
nature de la matrice :
·
les composites à matrices organiques (CMO)
qui constituent, de loin, les volumes les plus importants aujourd'hui à
l'échelle industrielle,
·
les composites à matrices céramiques (CMC)
réservés aux applications de très haute technicité et travaillant à haute température comme le spatial,
le nucléaire et le militaire,
ainsi que le freinage (freins carbone)
·
les composites à matrices métalliques
(CMM).
Les composites trouvent leurs principales
applications dans le transport aérien (civil et
militaire), maritime et ferroviaire, le bâtiment, l'aérospatial ainsi que les
sports et loisirs, notamment grâce à leur bonne tenue mécanique comparable aux
matériaux homogènes comme l'acier et leur
faible masse volumique.
Historique
Le bois fut le premier matériau composite naturel
utilisé, ensuite le torchis a été utilisé en
construction pour ses propriétés d'isolation et de coût. Parmi les premiers
composites fabriqués par l'homme on trouve également les arcs Mongols (2000 ans
av. J.-C.). Leur âme en bois était contrecollée de tendon au dos et de corne sur sa
face interne. Les sabres japonais
traditionnels sont aussi un exemple de matériaux composites très ancien. Les
forgerons nippons procédaient au pliage et au martèlement du métal jusqu’à
obtenir une sorte de pâte feuilletée pouvant être composée de plus de 4 000
couches. Le procédé de pliage était utilisé pour maîtriser précisément
l'uniformité de l'acier ainsi que sa composition en carbone tout en conférant
à la lame ses propriétés de résistance et de souplesse.
·
1823 : Charles Macintosh créé
l'imperméable avec du caoutchouc sur des tissus comme le coton.
Principaux composites
·
Le contreplaqué utilisé en menuiserie,
construction, ébénisterie.
·
Les cloisons de placoplâtre, très utilisé
dans le bâtiment hors intempéries.
·
La fibre d'aramide (ou
Kevlar qui est une dénomination commerciale) utilisée dans les protections
balistiques gilets pare-balles
(Attention, les gilets pare-balles ne sont
pas des composites ! Par contre, le kevlar qui les composent est bien
utilisé en tant que fibre pour composites
dans d'autres types d'utilisations.)
Renforts
Le renfort est le squelette supportant les
efforts mécaniques. Il peut se présenter sous de nombreuses formes :
fibres courtes (mat) ou fibres continues (tissus ou textures
multidirectionnelles) en fonction de l'application envisagée. Les fibres
possèdent généralement une bonne résistance à la traction mais une résistance à
la compression faible.
Parmi les fibres les plus employées on
peut citer :
·
Les fibres de verre qui sont utilisées
dans le bâtiment, le nautisme et diverses applications non structurantes. Le
coût de production des ces fibres est peu élevée ce qui en fait l'une des
fibres les plus utilisées à l'heure actuelle.
·
Les fibres de carbone utilisées pour des
applications structurantes. Elle sont obtenue par la pyrolyse d'un
précurseur organique ou non sous atmosphèrecontrôlée. Le plus utilisé de ces
précurseurs est le PolyAcryloNitrile (PAN). Le prix de ces fibres reste
relativement élevé mais il n'a cessé de diminuer avec l'augmentation des
volumes de production. On les retrouve dans de nombreuses applications dans
l'aéronautique, le spatial ainsi que les sports et loisirs de compétitions
(Formule 1, mâts de bateaux).
·
Les fibres d'aramide (ou Kevlar qui est
une dénomination commerciale) utilisées dans les protections balistiques comme
les gilets pare-balles.
·
Les fibres de carbure de silicium sont une bonne
réponse à l'oxydation du carbone dès 500°C. Elles sont utilisées dans des
applications très spécifiques travaillant à haute température et sous
atmosphère oxydante (spatial et nucléaire). Leur coût de production est très
élevé ce qui limite donc leur utilisation.
·
Pour les composites d'entrée de gamme, un
intérêt croissant est porté aux fibres végétales, comme le chanvre ou le lin.
Ces fibres ont de bonnes propriétés mécaniques pour un prix modeste, et sont
particulièrement écologiques puisque ce sont des produits naturels.
Matrices
La matrice a pour principal but de
transmettre les efforts mécaniques au renfort. Elle assure aussi la protection
du renfort vis à vis des diverses conditions environnementales.
Dans le cas des CMO (composites à matrices
organiques) les principales matrices utilisées sont :
·
Les résines polyester peu onéreuses qui
sont généralement utilisées avec les fibres de verre et que l'on retrouve dans
de nombreuses applications de la vie courante.
·
Les résines vinylester sont surtout
utilisée pour des applications où les résines polyester ne sont pas
suffisantes. Elle est issue d'une modification d'une résine époxyde et est
excellente pour des applications de résistance chimique.
·
Les résines époxy qui possèdent de bonnes
caractéristiques mécaniques. Elle sont généralement utilisées avec les fibres
de carbone pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.
·
Les résines phénoliques utilisées dans les
applications nécessitant des propriétés de tenue aux feu et flammes imposées
par les normes dans les transports civils.
·
Les résines thermoplastiques comme le
polypropylène ou le polyamide.
Dans le cas des CMC (composites à matrices
céramiques), la matrice peut être constituée de carbone ou de carbure de silicium. Ces
matrices sont déposées soit par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) par
densification d'une préforme fibreuse, soit à partir de résines cokéifiables
comme les résines phénoliques (dans le cas des matrices de carbone).
Dans le cas des CMM (composites à matrice
métallique) le matériau composite est constitué :
·
d’une matrice métallique (par ex.
aluminium, magnésium, zinc, nickel,…)
·
d’un renfort métallique ou céramique (par ex :
fils d’acier, particules de SiC, carbone, alumine, poudre de diamant…)
Description mécanique
Formalisation
Le comportement d'un matériau composite se
décrit de la manière suivante, en utilisant le formalisme de la mécanique des
milieux continus :
·
on a n matériaux différents qui forment le
composite (on parle de "phases", caractérisées par leur fraction
volumique et leur géométrie)
·
A l'intérieur de chaque phase, le matériau
peut se déformer et subir des contraintes. La déformation se fait selon la loi
de comportement du matériau en question (que l'on connaît) :
pour le cas linéraire.
·
Il y a équilibre des forces
volumiques, soit, dans chaque matériau i :
si l'on néglige la force de pesanteur devant les forces
appliquées au matériau (pression, traction, cisaillement).
·
Enfin, l'agrégation des comportements de
chaque matériau simple, pour aboutir au comportement du composite, nécessite de
décrire l'équilibre des forces entre deux matériaux "collés", en
chaque point de leur surface de contact. Cette condition est
que la force exercée par le matériau 1 sur le matériau 2 à la surface de
contact (
si
désigne le vecteur unitaire perpendiculaire à la surface) doit
être opposée à celle exercée par le matériau 2 sur le matériau 1. Ceci implique
une certaine continuité du champ de
contraintes
: on doit avoir (en chaque point des surfaces de
contacts des matériaux mélangés dans le composite)
. C'est par cette condition qu'intervient la microgéométrie
du mélange dans la
détermination du comportement du composite. Ainsi, en mélangeant des matériaux
isotropes selon une géométrie non isotrope
(fibres, feuilles...), on obtient un composite non isotrope mais dont les
propriétés mécaniques sont issues des celles des matériaux initiaux !
·
Ainsi, le matériau composite est décrit en
chacun de ces points. La loi de comportement du composite qui en résulte doit
pouvoir faire le lien entre les déformationsmacroscopiques et les
contraintes macroscopiques (c'est-à-dire leurs valeurs
moyennes, car par exemple si l'on mélange un matériau mou et un dur, les
déformations microscopiques seront très variables selon le matériau, et c'est
la déformation globale que l'on observera à l'échelle du composite). Cette loi
de comportement du composite est dite "effective" : on
note
dans le cas linéaire.
Résolution
Le problème précédent ne se résout pas
simplement, sauf dans le cas de géométries très simples (inclusions
sphériques, fibres, feuilles empilées, ou de manière générale dans le cas
d'inlusions de forme ellispoïdale).
Des recherches visent à décrire le
comportement du composite sans forcément en connaître la géométrie exacte, en
essayant de borner l'énergie de déformation du composite
(l'énergie de déformation d'un matériau est
). On peut ainsi citer les bornes de :
·
Voigt et Reuss :
Les cas extrêmes de ces inégalités sont
atteignables par des géométries de couches empilées. D'ailleurs, on retrouve
ici un résultat constant de la physique : la résistance électrique d'un
assemblage de résistances est la somme des résistances lorsqu'elles sont en
série, ou est l'inverse de la somme des
inverses quand elles sont en parallèle (résultat similaire également avec un
assemblage de ressorts). La différence est qu'ici la loi de comportement n'est
pas décrit par un scalaire (comme c'est le
cas pour une résistance électrique ou une raideur de ressort), mais par une
grandeur multidimensionnelle (le tenseur
d'ordre 4).
NB : ici
désigne la moyenne de A sur
tout le volume du
composite ; et l'inégalité entre tenseurs
s'entend au sens ou pour tout tenseur
on a
·
Hashin et Strikman : bornes plus
précises, dans le cas isotrope.
La mécanique des composites est encore un
domaine de recherche théorique
active : comportement mécanique ou électrique, linéaire, non linéaire,
viscoélastique, avec fissures ou plasticité, flambage...
Une limite de cette modélisation est que
l'on ne peut pas connaître de manière précise la microgéométrie d'un composite
réel : il y a toujours des défauts ; mais la modélisation permet de
décrire de manière assez précise la loi de comportement.
Un autre intérêt de cette recherche
théorique entre la géométrie d'un composite et sa loi de comportement est le
mode de réalisation d'un matériau dont les caractéristiques mécaniques ont été
obtenues par une optimisation informatique.
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